Стадии образования фермент-субстратного комплекса

В 1903 г. В. Генри сделал вывод о том, что необходимой стадией ферментативного катализа является соединение фермента с субстратом, в результате чего образуется фермент-субстратный комплекс. Развитие этой идеи привело к созданию общей теории действия ферментов; особенно большой вклад в неё в 1913г. внесли Л. Михаэлис и М. Ментен. Согласно их гипотезе процесс ферментативного катализа можно разделить на 3 стадии:

1) диффузия субстрата к ферменту и стерическое связывание его с активным центром фермента, т.е. образование фермент-субстратного комплекса (ES);

2) преобразование первичного комплекса в один или несколько активированных фермент-субстратных комплексов (ES*, ES**…);

3) отделение продуктов (Р) реакции от активного центра и диффузия его в окружающую среду.

Первая стадия обычно непродолжительна и зависит от концентрации субстрата в среде, а также его диффузии к активному центру фермента. Комплекс образуется практически мгновенно. Субстрат присоединяется к активному центру в нескольких точках, образуя хелатные (клешневидные) комплексы. Присоединение осуществляется связями разного характера, в основном слабыми (водородные, электростатические, гидрофобные, координационные), ковалентные связи встречаются редко. На этой стадии изменение энергии активации незначительно, ориентация субстрата и активного центра способствует их сближению и прохождению реакции.

Вторая стадия наиболее медленная и лимитирует скорость всего катализа в целом. Её длительность зависит от энергии активации данной химической реакции. На этой стадии происходит расшатывание связей субстрата, их разрыв или образование новых связей в результате взаимодействия с активными группами фермента. Благодаря образованию активированных переходных комплексов снижается энергия активации реакции.

Третья стадия практически мгновенна. Она определяется скоростью диффузии продуктов реакции в окружающую среду.

Природа сил, стабилизирующих различные конформационные состояния ферментсубстратного комплекса

Обратимые молекулярные взаимодействия в биологических системах опосредуются силами трех типов. Складывание макромолекул в сложную структуру, связывание субстрата с ферментом, межклеточные взаимо­действия, то есть все молекулярные взаимодействия в биологических системах, осуществляются благодаря образованию водородных связей, а также связей, обусловленных электростатическими и вандерваальсовыми взаимодействиями. Эти три основных типа нековалентных связей различаются по своей геометрии, энергии и специфичности. Более того, хотя на них всегдасильно влияет присутствие воды, однако этот эффект проявляется по-разному. Рассмотрим подробнее каждый из этих основных типов связей.

Электростатические взаимодействия

Заряженная группа субстрата может реагировать с группой фермента, несущей противоположный заряд. Сила такого электростатического взаимодействия определяется законом Кулона:

где q₁ и q₂ – заряды соответствующих групп, r – расстояние между ними, D-диэлектрическая постоянная среды. Электростатическое взаимодействие наиболее сильно проявляется в вакууме (где D = 1) и наиболее слабо – в такой среде, как вода (где D = 80).

Примером электростатического взаимодействия может служить связывание глицил-L-тирозина с карбоксипептидазой А – протеолитическим ферментом, который отщепляет С-концевые остатки аминокислот. Отрицательно заряженная концевая карбоксильная группа дипептидного субстрата взаимодействует с положительно заряженной гуанидиновой группой аргининового остатка на ферменте. Расстояние между этими двумя противоположно заря­женными группами составляет 0,28 нм:

Такой тип взаимодействия называют также ионной связью, солевой связью, солевым мостиком или ионной парой. Все эти термины имеют одно и то же значение: электростатичeскoe взаимодействие между противоположно заряженными группами. Между отрицательно заряженным субстратом и положительно заряженной боковой цепью лизинового или аргининового остатка могут возникать электростатические взаимодействия. Если величины рК имидазольной группы остатка гистидина или концевой аминогруппы полипептидной цепи обеспечивают их положительный заряд при данном рН среды, то они также могут функционировать как потенциальные участки связы­вания отрицательно заряженного субстрата. В случае если субстрат имеет положительный заряд, потенциальными участками связывания служат отрицательно заряженные карбоксильные группы аспартата и глутамата, а также концевая карбоксильная группа полипептидной цепи.